超級(jí)電容器儲(chǔ)能的直流DVR裝置的研發(fā)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)體各個(gè)部門的用電量在不斷增加，越來越多的用戶采用性能好、效率高但對(duì)電源特性變化敏感的高科技設(shè)備，如：機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線、精密數(shù)控機(jī)床、高精度測(cè)量?jī)x器及計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的各種干擾十分敏感，任何電能質(zhì)量問題都可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，帶來不良的社會(huì)影響。在用戶電能質(zhì)量問題投訴中，90%以上涉及電壓暫降問題；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和案例反映顯示，造成用電設(shè)備異常運(yùn)行或停電的絕大部分因素也是由電壓暫降引起的。因此本文主要研究電壓暫降治理問題，針對(duì)具有整流逆變結(jié)構(gòu)的敏感負(fù)荷設(shè)備，提出了一種利用超級(jí)電容器治理電壓暫降問題的新思路。

1 電壓暫降

電壓暫降是指供電電壓在短時(shí)間內(nèi)突然下降的事件。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將電壓暫降定義為電壓均方根值下降到額定值的90%~1%,電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）則定義為下降到額定值的90%~10%,其典型持續(xù)時(shí)間為0.5~30個(gè)周波。嚴(yán)重的電壓暫降將引發(fā)用電設(shè)備停止工作，或造成所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量下降，其后果嚴(yán)重程度因用電設(shè)備的特性而異。

電壓暫降的治理是一項(xiàng)復(fù)雜工程，通常通過設(shè)置輔助設(shè)備使主設(shè)備負(fù)荷能承受頻繁發(fā)生的電壓暫降，本文研究的超級(jí)電容電壓暫降抑制裝置即為此類輔助設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)外研究的電壓暫降治理裝置主要有交流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）及不間斷電源（UPS）等。對(duì)含直流母線的裝置，若加裝UPS補(bǔ)償設(shè)備，因UPS使用壽命短、放電電流小且充電時(shí)間長(zhǎng)等特性，系統(tǒng)的性價(jià)比較低；如果加裝交流系統(tǒng)DVR等裝置，因系統(tǒng)主電路存在2 個(gè)逆變電路，不僅降低了系統(tǒng)工作效率，而且還增加了成本。針對(duì)具有整流逆變結(jié)構(gòu)的設(shè)備，我們研發(fā)了一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的直流DVR裝置，將雙向半橋DC-DC變換器與超級(jí)電容器結(jié)合使用，通過雙閉環(huán)方式控制超級(jí)電容器的充放電，在系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，通過支撐敏感負(fù)荷的直流母線電壓達(dá)到治理電壓暫降的目的（圖1）。

圖1 電壓暫降治理系統(tǒng)主電路

2 超級(jí)電容儲(chǔ)能

超級(jí)電容器也稱為電化學(xué)電容器，是一種利用雙電層原理、采用新材料和新工藝、性能介于電容器與電池之間、具有很大電容密度且脈沖充放電性能優(yōu)良的新型大容量儲(chǔ)能元件。常用的雙電層電容器結(jié)構(gòu)如圖2所示，懸在電解質(zhì)里的2 個(gè)非活性多孔板為電極。正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引電解質(zhì)中的正離子，這樣在兩個(gè)電極的表面形成一個(gè)雙電層電容器，其容量大小與電極的表面積及極板間距離等因素有關(guān)。

圖2 雙電層電容的結(jié)構(gòu)圖

與常規(guī)用于儲(chǔ)能的電容器不同，超級(jí)電容器容量可達(dá)到法拉甚至千法拉級(jí)別，既具有充電電池的高能量密度特性，又有電容器的高功率密度特性，是一種高效、實(shí)用、綠色的能量存儲(chǔ)器件。表1 示出超級(jí)電容器、儲(chǔ)能電容器以及電池的性能比較。與普通電容器和電池相比，超級(jí)電容器不僅無污染、免維護(hù)、環(huán)保效益明顯，而且還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）功率密度高。

超級(jí)電容器的功率密度可達(dá)到10 kW/kg左右，為電池的十倍到百倍，可以在短時(shí)間內(nèi)釋放幾百到幾千安培的電流，非常適合用于在短時(shí)間內(nèi)輸出高功率的場(chǎng)合。

（2）充電速度快。

超級(jí)電容器充放電是一種雙電層充放電的物理過程或電極物質(zhì)表面快速可逆的電化學(xué)過程，可以采取大電流充電方式，在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，蓄電池的充電需要數(shù)小時(shí)才能完成，即使采用快速充電也需幾十分鐘。

（3）使用壽命長(zhǎng)。

超級(jí)電容器充放電過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)可逆性好，循環(huán)充放電次數(shù)理論值為無窮，實(shí)際可達(dá)100 000次，比電池的壽命高10~100倍。

（4）低溫性能優(yōu)越。

超級(jí)電容器充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)行，所以容量隨溫度的降低而衰減的量非常??；而電池在低溫下容量衰減幅度可高達(dá)70%.

電能質(zhì)量問題往往具有出現(xiàn)率高、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，因此應(yīng)用超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行快速補(bǔ)償是一種理想的技術(shù)方案。

表1 3 種電化學(xué)儲(chǔ)能元件的性能比較

3 雙向DC-DC 變換器主電路及工作原理

雙向DC-DC變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過控制開關(guān)T1和T2,達(dá)到雙向直流升壓與降壓的目的。在升壓運(yùn)行時(shí)，T2動(dòng)作，T1截止，變換器工作在Boost狀態(tài)；當(dāng)T1動(dòng)作，T2截止時(shí)，變換器工作在Buck狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)降壓功能。

圖3 雙向DC-DC 變換器主電路

3.1 Boost 模式

開關(guān)T2處于恒脈寬調(diào)制方式下，雙向DC-DC變換器主電路Boost 模式下等效電路如圖4 所示。當(dāng)T2 導(dǎo)通時(shí)（圖4（a）），電源v2向電感L充電，電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)于L中，同時(shí)電容C2向v1供電；當(dāng)T2關(guān)斷時(shí)（圖4（b）），電感L釋放磁能向v1 供電。電感L的儲(chǔ)能作用能使電壓泵升，通過電容C2 穩(wěn)壓之后，可使輸出電壓高于輸入電壓。

圖4 Boost 模式下等效電路

3.2 Buck 模式

開關(guān)T1處于恒脈寬調(diào)制方式下，雙向DC-DC變換器主電路Buck 模式下等效電路如圖5 所示。當(dāng)T1 導(dǎo)通時(shí)（圖5（a）），v1通過電感L給v2充電，部分電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)于L中；當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)（圖5（b）），電感L中存儲(chǔ)的磁能轉(zhuǎn)化為電能，通過二極管給v2充電。Buck模式電流流向與Boost 模式的相反。

圖5 Buck 模式下等效電路

4 超級(jí)電容器充放電控制策略

根據(jù)超級(jí)電容器的特點(diǎn)，本文提出了充電恒流、放電雙閉環(huán)的分時(shí)控制策略。

4.1 超級(jí)電容器充電控制

直流母線工作在正常電壓范圍內(nèi)，當(dāng)超級(jí)電容器陣列電壓低于額定工作電壓時(shí)，對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電，其充電控制框圖如圖6 所示。通過實(shí)際充電電流與參考充電電流的滯環(huán)比較及對(duì)最大開關(guān)頻率的限制，產(chǎn)生信號(hào)控制恒流充電。恒流充電有利于對(duì)儲(chǔ)能裝置的保護(hù)，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。

圖6 超級(jí)電容器充電控制框圖

4.2 超級(jí)電容器放電控制

超級(jí)電容器放電控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)（圖7 ）。利用電壓環(huán)計(jì)算得到電壓偏差，之后計(jì)算出電流環(huán)參考值；電流環(huán)根據(jù)參考值得到合適的補(bǔ)償電流，通過傳遞函數(shù)變換得到補(bǔ)償值。圖7中：

,Vref為給定的電壓控制量，Kv為電壓反饋放大系數(shù)，Ki為電流反饋放大系數(shù)，Gvd為S 域的控制電壓，Gid為S域的控制電流，為占空比擾動(dòng)量，為高壓側(cè)輸出電壓擾動(dòng)量。

圖7 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖。

對(duì)于Boost 模式工作狀態(tài)，使用狀態(tài)空間平均法可得到其狀態(tài)方程：

式中：v1--高壓側(cè)輸出電壓；v2--低壓側(cè)輸入電壓；α --時(shí)間系數(shù)，相當(dāng)于占空比，α =ton÷（toff+ton）；iL --電感電流；R--限流電阻；L--充放電電感量；C--超級(jí)電容容量；r1 --電容器內(nèi)阻。

對(duì)狀態(tài)方程施加小信號(hào)干擾，則有瞬時(shí)值：

式中：V1 --高壓側(cè)輸出電壓穩(wěn)態(tài)值；V2 --低壓側(cè)輸入電壓穩(wěn)態(tài)值； iL^--電感電流擾動(dòng)量； v2^--低壓側(cè)輸入電壓擾動(dòng)量；D--靜態(tài)占空比；d--動(dòng)態(tài)占空比。

將式（2）代入式（1），得到穩(wěn)態(tài)方程：

通過對(duì)該狀態(tài)空間平均方程進(jìn)行干擾，可得到S 域的控制電壓（式（4））和控制電流（式（5））的傳遞函數(shù)：

　　式中：D′=1-D.

S 域的擾動(dòng)電壓、電流小信號(hào)傳遞函數(shù)如下：

5 仿真研究

為了驗(yàn)證參數(shù)以及控制策略，選擇20 0 只2. 7 V/2 700 F雙層電容器串聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容陣列，使用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)（圖8）。

圖8 仿真模型結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用阻性負(fù)載，參數(shù)說明如下：系統(tǒng)相電壓E=220 V;超級(jí)電容陣列電容容量CS=13.5 F,r=0.2Ω，充放電電感為L(zhǎng)=1 mH,工作電壓范圍在300~530 V,最大輸出功率為4 kW;仿真運(yùn)行時(shí)間為10 s.當(dāng)直流母線工作電壓正常、超級(jí)電容電壓低于工作電壓時(shí)，母線對(duì)超級(jí)電容器充電（圖9）；當(dāng)直流母線電壓低于系統(tǒng)工作電壓下限時(shí)，超級(jí)電容器放電（圖10）。

裝置電源電壓為380 V,直流母線電壓在1s時(shí)刻發(fā)生幅度為80%的電壓暫降，超級(jí)電容電壓暫降抑制裝置并入直流母線前后母線電壓的仿真波形如圖11 和圖12所示。

圖9 超級(jí)電容充電控制圖

圖10 超級(jí)電容放電控制框圖

圖11 未加抑制裝置、直流母線電壓暫降80% 時(shí)波形

圖12 加抑制裝置、電壓暫降80% 時(shí)的波形

在1s時(shí)刻直流母線上發(fā)生幅度為20%的電壓暫降，超級(jí)電容電壓暫降抑制裝置并入直流母線前后母線電壓的仿真波形如圖13和圖14所示。

圖13 未加抑制裝置、電壓暫降20% 時(shí)的波形。

圖14 加抑制裝置、電壓暫降20% 時(shí)的波形。

以上仿真的電壓暫降均為三相電壓發(fā)生暫降，在發(fā)生單相以及兩相暫降時(shí)，直流母線上電壓的有效值比三相的更低，因此本文未進(jìn)行仿真介紹。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為發(fā)生電壓暫降時(shí)，未投切和投切抑制裝置的情況下直流母線電壓的變化作為一組對(duì)照驗(yàn)證裝置的可行性。超級(jí)電容器選用實(shí)驗(yàn)室用超級(jí)電容模塊，它由200個(gè)2.7 V/2 700 F雙層電容器串聯(lián)而成；負(fù)載采用7.5 kW電爐，實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)電路

通過模擬擾動(dòng)，使直流母線發(fā)生80%電壓暫降，電壓由510 V下降到200 V（圖16）。圖17示出在直流母線上并聯(lián)超級(jí)電容電壓暫降抑制裝置后的直流母線電壓波形。

圖16 未加抑制裝置、直流母線電壓暫降80% 時(shí)波形。

圖17 加抑制裝置、電壓暫降80% 時(shí)的波形。

圖18示出發(fā)生20%電壓暫降（即直流母線由510 V下降到400 V左右）時(shí)直流母線電壓波形。并聯(lián)超級(jí)電容電壓暫降抑制裝置后，直流母線電壓得到了較好的支撐，其電壓波形如圖19 所示。

圖18 未加抑制裝置、電壓暫降20% 時(shí)的波形。

圖19 加抑制裝置、電壓暫降20% 時(shí)的波形。

由以上兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，直流母線發(fā)生電壓暫降時(shí)，并入超級(jí)電容電壓暫降抑制裝置后，暫降抑制效果十分明顯，波形較為平穩(wěn)，響應(yīng)時(shí)間為10 ms 左右且無較大波動(dòng)，證明該裝置能有效抑制直流母線的電壓暫降。

7 結(jié)語

針對(duì)具備整流逆變結(jié)構(gòu)的設(shè)備（即具有直流母線），本文提出了運(yùn)用雙向半橋DC-DC結(jié)構(gòu)結(jié)合超級(jí)電容器的方式治理電壓暫降問題，研究了其PWM控制方式，結(jié)合超級(jí)電容器充放電電流特點(diǎn)，提出了充電恒流、放電雙閉環(huán)的分時(shí)控制策略，通過仿真驗(yàn)證了算法的響應(yīng)速度和抑制精度；結(jié)合仿真結(jié)果，搭建了實(shí)驗(yàn)電路，并對(duì)裝置的性能進(jìn)行了驗(yàn)證（未考慮交流負(fù)載電壓的變化以及雙向DC-DC在大功率下的性能）。作為一種基于電力電子技術(shù)的電壓暫降治理新型裝置，超級(jí)電容電壓暫降抑制裝置具有非常廣闊的應(yīng)用前景。